不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體及環(huán)境的影響

引言

隧道在不同土質(zhì)下的掘進(jìn)過(guò)程中，如果沒(méi)有對(duì)其周邊土體及環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)研究，會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)安全性低。隧道掘進(jìn)會(huì)影響周?chē)馏w的應(yīng)力變化，導(dǎo)致周邊土體位移發(fā)展速度突增，土體變形的收斂速度加快。

本文以廈門(mén)某區(qū)間隧道工程為例，該隧道線(xiàn)路整體呈東西走向，起點(diǎn)位于直線(xiàn)上，中間段位于R=3000m的左拐曲線(xiàn)上，終點(diǎn)位于R=800m的右拐曲線(xiàn)上，線(xiàn)間距15.53m ～19m，左線(xiàn)采用6.603‰上坡，右線(xiàn)采用6.620‰上坡，區(qū)間設(shè)1#豎井作為盾構(gòu)始發(fā)井。區(qū)間礦山法隧道下穿動(dòng)走一線(xiàn)，與動(dòng)走一線(xiàn)的交角為5°，區(qū)間隧道右線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂距動(dòng)走一線(xiàn)結(jié)構(gòu)底的距離為30.001m，左線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂距動(dòng)走一線(xiàn)結(jié)構(gòu)底的距離為30.021m。區(qū)間礦山法隧道下穿動(dòng)走二線(xiàn)，與動(dòng)走二線(xiàn)的交角為28°，區(qū)間隧道右線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂距動(dòng)走二線(xiàn)結(jié)構(gòu)底的距離為37.793m，左線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂距動(dòng)走二線(xiàn)結(jié)構(gòu)底的距離為37.821m。區(qū)間盾構(gòu)隧道與福廈鐵路的交角約為36°，區(qū)間隧道右線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂距福廈鐵路結(jié)構(gòu)底的距離為23.481m，左線(xiàn)結(jié)構(gòu)頂距福廈鐵路結(jié)構(gòu)底的距離為23.519m。綜合考慮地形地貌、地質(zhì)及周邊構(gòu)筑物情況，于正線(xiàn)右SDK1+970處設(shè)置斜井，斜井起訖里程為K0-24 ～K0+358,縱坡13%，中部設(shè)置20m長(zhǎng)緩沖平臺(tái),斜井僅作為施工臨時(shí)通道，待隧道施工完成后兩端采用鋼筋混凝土墻封堵永久封閉。

礦山法隧道從斜井與區(qū)間正線(xiàn)交接處(即正線(xiàn)右SDK1+970)開(kāi)始開(kāi)挖，準(zhǔn)備設(shè)置4個(gè)工作面[1]。目前斜井已開(kāi)挖完成，二襯及仰拱在持續(xù)施工中；1#豎井與涉鐵段起點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離大約257m，從1#豎井至涉鐵段起點(diǎn)，隧道左線(xiàn)開(kāi)挖約160m，右線(xiàn)開(kāi)挖約120m，開(kāi)挖在持續(xù)推進(jìn)中。基于此工程背景下，為保證不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)的安全，本文針對(duì)不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)，對(duì)周邊土體及環(huán)境的影響進(jìn)行分析。

1.不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體的影響

1.1 改變周?chē)馏w的應(yīng)力

由于隧道掘進(jìn)時(shí)土體應(yīng)力會(huì)隨著隧道中心線(xiàn)的深度不同而產(chǎn)生變化，在粉黏土土質(zhì)下，考慮到粉黏土的滲透系數(shù)較低，因此會(huì)產(chǎn)生大量的超孔隙水壓力[2]。在粉砂土土質(zhì)下，滲透系數(shù)很高，因此超孔隙水壓力極其微弱，可以不進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體的總應(yīng)力，分析周?chē)馏w的應(yīng)力歷史變化，將隧道掘進(jìn)的全過(guò)程分為四個(gè)階段：第一階段是刀盤(pán)到達(dá)前，粉黏土土質(zhì)下的超孔隙水壓力會(huì)急劇增大，覆土壓力也會(huì)隨之增加；粉砂土土質(zhì)下的超孔隙水壓力基本不變，應(yīng)力保持穩(wěn)定狀態(tài)。第二階段是盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)與地面摩擦?xí)?dǎo)致盾殼摩擦力增大，使得粉黏土土質(zhì)的土體被挖除所產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，豎向應(yīng)力形成一個(gè)土拱；而粉砂土土質(zhì)的土體豎向應(yīng)力迅速沉降。盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)周邊土體的應(yīng)力可通過(guò)應(yīng)力變化比的計(jì)算公式表示，設(shè)應(yīng)力變化比為，則其計(jì)算公式如公式（1）所示。

1.2 周?chē)馏w的體積壓縮

隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體的應(yīng)變路徑影響取決于土體體積壓縮的狀態(tài)，在刀盤(pán)通過(guò)時(shí)，無(wú)論是粉黏土土質(zhì)還是粉砂土土質(zhì)均處于體積膨脹的狀態(tài)，此時(shí)剪應(yīng)力增大[4]。在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)粉黏土土質(zhì)和粉砂土土質(zhì)處于體積壓縮的狀態(tài)，剪應(yīng)力也隨著體積的縮小而減少。盾尾脫出至二次注漿時(shí)，兩種土質(zhì)下的剪應(yīng)力基本穩(wěn)定。二次注漿之后，會(huì)出現(xiàn)橫向沉降槽，隧道掘進(jìn)后周?chē)馏w的應(yīng)變路徑與反彎點(diǎn)位置基本一致。

1.3 周?chē)馏w的塑性發(fā)展

通過(guò)對(duì)比不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)時(shí)周邊土體的初始狀態(tài)和最終狀態(tài)可以看出，周?chē)馏w呈現(xiàn)出塑性發(fā)展趨勢(shì)[5]。地表土體的平均主應(yīng)力會(huì)明顯提高，而隧道周?chē)耐馏w平均主應(yīng)力會(huì)明顯下降，在隧道上方的土體平均主應(yīng)力基本保持不變。這是由于當(dāng)?shù)侗P(pán)通過(guò)考察斷面時(shí)，盾尾空隙對(duì)周?chē)馏w的卸荷影響。但隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體的塑性發(fā)展影響持續(xù)時(shí)間較短，在施工完成后無(wú)需人為操作即可自動(dòng)完成修復(fù)。綜上所述，在分析不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響后得知，大部分隧道掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的消極影響均可以通過(guò)土體的修復(fù)功能自動(dòng)修復(fù)，對(duì)于極特殊情況可以采取相應(yīng)的措施進(jìn)行人工干預(yù)。

2.不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響

在分析不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響中，必須預(yù)先明確廈門(mén)某隧道工程涉鐵段周邊環(huán)境平面圖（圖1）。

結(jié)合圖1所示，本文針對(duì)不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響主要從以下3個(gè)部分進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖1 隧道工程涉鐵段周邊環(huán)境平面圖

2.1 拱頂沉降

針對(duì)不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)拱頂沉降調(diào)查分析可知，不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)拱頂沉降存在差異較大的現(xiàn)象[6]。因此，本文將不同土質(zhì)下的拱頂沉降信息進(jìn)行匯總分析，得出分析結(jié)果如表1所示。

2.2 地表豎向位移

由于隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的盾殼摩擦力會(huì)對(duì)地表起到附加推力的作用，可以通過(guò)計(jì)算地表豎向位移，得出隧道掘進(jìn)對(duì)地表豎向位移的具體影響，設(shè)不同土質(zhì)下某一點(diǎn)的坐標(biāo)為該點(diǎn)在盾殼摩擦力下產(chǎn)生的地表豎向位移的計(jì)算公式，如公式（2）所示。

表1 不同土質(zhì)下的拱頂沉降信息匯總分析

2.3 隧道內(nèi)凈空收斂

為了研究不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)隧道內(nèi)凈空收斂的影響，本文采用隧道凈空收斂量測(cè)的方法在斷面內(nèi)布設(shè)測(cè)點(diǎn)，分別在不同土質(zhì)下構(gòu)成3條基線(xiàn)測(cè)量基線(xiàn)方向上相對(duì)位移，設(shè)基線(xiàn)方向上相對(duì)位移為，其計(jì)算公式，如公式（3）所示。

3.結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體及環(huán)境的影響研究發(fā)現(xiàn)：隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體的塑性發(fā)展影響持續(xù)時(shí)間較短，在施工完成后無(wú)需人為操作即可自動(dòng)完成修復(fù)；隨著盾構(gòu)階段的遞增，隧道內(nèi)凈空收斂的影響會(huì)完全消除。因此，不同土質(zhì)下隧道掘進(jìn)對(duì)周邊土體及環(huán)境存在負(fù)面影響，但影響不大。通過(guò)以上研究，能夠?yàn)椴煌临|(zhì)下隧道掘進(jìn)的進(jìn)一步研究提供一定的借鑒和參考。由于表征影響的能力參差不齊，對(duì)其差異性未作出詳細(xì)解釋。在日后的研究中，可以加大對(duì)該方面的研究力度。